Não organoid của Harvard tiếp tục phát triển theo nhịp thời gian giống não người suốt hơn 5 năm

Điểm đáng chú ý nhất không chỉ là các organoid có thể sống lâu. Những organoid vỏ não người được nuôi trong phòng thí nghiệm hơn 5 năm tiếp tục thay đổi theo một số khía cạnh tương đồng với quá trình phát triển của não người. Tế bào của chúng dần mang các đặc điểm phân tử của giai đoạn muộn hơn, duy trì cấu trúc và hoạt động thần kinh, đồng thời dường như lưu giữ dấu ấn về thời gian đã phát triển.

Các nhà nghiên cứu đã nuôi và đo lường điều gì?

Nhóm Harvard tạo ra các organoid vỏ não có kích thước chỉ tương đương hạt tiêu từ tế bào người lấy qua mẫu máu. Có 34 organoid sống lâu hơn 5 năm. Trong toàn bộ nghiên cứu, nhóm phân tích 110 organoid và gần 425.000 tế bào ở 8 độ tuổi bằng phương pháp giải trình tự RNA đơn bào, kết hợp với các phép đo về phân tử, biểu sinh, cấu trúc và chức năng.

Mốc thời gian này có ý nghĩa lớn vì các nghiên cứu trước đó chỉ duy trì những organoid vỏ não người tương tự trong tối đa 694 ngày. Như vậy, thí nghiệm mới kéo dài hơn gấp đôi kỷ lục đã được thiết lập, mở ra cơ hội quan sát những thay đổi phát triển mà các nghiên cứu ngắn hạn khó ghi nhận.

Organoid không “đóng băng” ở trạng thái bào thai

Các tế bào không dừng lại ở trạng thái non và giống bào thai. Theo thời gian, chương trình biểu hiện gene của chúng chuyển từ các dấu hiệu phát triển thời kỳ bào thai sang những trạng thái vỏ não muộn hơn, trong đó có các đặc điểm giống giai đoạn sau sinh. Thành phần loại tế bào và các nhóm gene liên quan đến quá trình trưởng thành cũng bám khá sát những mốc tham chiếu lấy từ mô não người.

Điều này không có nghĩa organoid tái tạo đầy đủ mọi giai đoạn của một bộ não người bình thường. Kết quả chỉ cho thấy một số tế bào thần kinh có thể tiếp tục chương trình phát triển bên ngoài phôi, dù không nhận được các tín hiệu toàn thân, trải nghiệm giác quan và cấu trúc giải phẫu hoàn chỉnh của cơ thể sống.

Các nghiên cứu trước đây từng cho thấy organoid được nuôi khoảng 250–300 ngày có thể mang những đặc điểm phân tử tương tự giai đoạn phát triển não người sau khi sinh. Nghiên cứu mới kéo dài quan sát thêm nhiều năm và bổ sung bằng chứng từ “đồng hồ” biểu sinh cũng như sự trưởng thành đặc thù của từng loại tế bào.

Các kết nối thần kinh và hoạt động điện vẫn tồn tại

Những organoid sống lâu có các neuron kích thích và tế bào thần kinh đệm, cùng các sợi nhánh thần kinh và cấu trúc synapse. Chúng cũng phát ra hoạt động điện tự phát và phản ứng khi được kích thích. Những quan sát này cho thấy sự hiện diện của các mạng lưới thần kinh còn hoạt động, thay vì chỉ là tập hợp các tế bào tồn tại lâu trong môi trường nuôi cấy.

Phát hiện này có thể hữu ích cho việc mô hình hóa quá trình phát triển, bởi nhiều bệnh thần kinh liên quan đến tương tác giữa các loại tế bào và những biến đổi diễn ra trong thời gian dài. Một hệ nuôi cấy có thể duy trì và đo lường trong nhiều năm giúp các nhà khoa học theo dõi thời điểm những thay đổi xuất hiện, cũng như so sánh chúng giữa các nền tảng di truyền hoặc điều kiện thí nghiệm khác nhau.

Tuy nhiên, hoạt động điện không đồng nghĩa với chức năng não bình thường, nhận thức, khả năng học tập hay hành vi. Organoid vẫn thiếu cấu trúc và môi trường sinh lý hoàn chỉnh cần thiết cho những chức năng đó.

Thí nghiệm “bẻ cong thời gian” cho thấy tế bào có thể lưu dấu lịch sử phát triển

Nhóm nghiên cứu còn tạo ra các mẫu nuôi cấy khảm bằng cách kết hợp tế bào lấy từ organoid già với những tế bào trẻ hơn nhiều. Các tế bào già không đơn giản quay lại lịch trình phát triển của tế bào trẻ. Thay vào đó, chúng nhanh chóng tạo ra các loại neuron gắn với những giai đoạn phát triển muộn hơn.

Kết quả gợi ý rằng thời điểm phát triển được lưu giữ một phần ngay bên trong tế bào. Những trạng thái phiên mã và biểu sinh bền vững có thể hoạt động như một “hồ sơ tế bào” ghi lại lịch sử phát triển. Khi bước vào môi trường mới, lịch sử đó vẫn tiếp tục ảnh hưởng đến loại neuron mà tế bào tạo ra.

Thí nghiệm không chứng minh tế bào có cảm nhận chủ quan về thời gian. Cụm từ “ghi nhận thời gian trôi qua” chỉ là cách mô tả một trạng thái sinh học: hoạt động điều hòa gene và các dấu ấn biểu sinh thay đổi theo tuổi của mẫu nuôi cấy. Điều đó không liên quan đến nhận thức hay trải nghiệm chủ quan.

Tiềm năng đối với nghiên cứu tự kỷ và tâm thần phân liệt

Organoid vỏ não sống lâu có thể giúp nghiên cứu những rối loạn phát triển mà cơ chế sinh học diễn ra dần dần theo thời gian. Với tế bào lấy từ bệnh nhân, các nhà khoa học có thể so sánh quá trình trưởng thành, quyết định số phận neuron, hình thành mạch thần kinh và tương tác giữa neuron với tế bào thần kinh đệm trong một khoảng thời gian dài hơn. Họ cũng có thể thử nghiệm can thiệp ở những giai đoạn phát triển phù hợp, thay vì chỉ quan sát một “ảnh chụp” ở thời kỳ sớm.

Các mô hình này cũng có thể hỗ trợ việc tạo ra và nghiên cứu những loại tế bào thần kinh trưởng thành, được xác định rõ hơn, phục vụ nghiên cứu bệnh học và ghép tế bào. Đây mới là các hướng ứng dụng tiềm năng trong nghiên cứu, chưa phải phương pháp điều trị đã được chứng minh. Kết quả từ organoid vẫn cần được kiểm chứng bằng các hệ thống thí nghiệm khác và không thể tự nó giải thích cách một rối loạn phát triển ở con người.

Organoid không thể cho chúng ta biết điều gì?

Organoid vỏ não không phải là một bộ não người thu nhỏ. Đây là mô hình ba chiều đơn giản hóa, tái tạo một số khía cạnh của quá trình phát triển vỏ não. Nó không có hệ thống mạch máu, môi trường miễn dịch và hormone đầy đủ, đầu vào giác quan, kết nối với cơ thể, tổ chức đường dài hay bối cảnh hành vi của một bộ não hoàn chỉnh.

Những giới hạn này ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi kết luận. Organoid có thể tái tạo một số sự kiện phân tử hoặc đặc điểm của mạng lưới thần kinh, nhưng bỏ qua những quá trình khác vốn rất quan trọng trong não sống. Vì vậy, nó không thể tự mình tái hiện nhận thức bình thường hay toàn bộ sinh học của chứng tự kỷ, tâm thần phân liệt và các rối loạn tâm thần khác.

Hoạt động điện cũng không phải bằng chứng về ý thức. Các phép đo được báo cáo không cho thấy organoid có nhận biết, cảm thấy đau hay trải nghiệm điều gì. Những câu hỏi về ý thức đòi hỏi bằng chứng vượt xa các đặc điểm tế bào và mạng lưới được mô tả trong nghiên cứu này.

Vì sao các organoid cuối cùng bị loại bỏ?

Các organoid sống lâu cuối cùng được thu lại để phân tích tại thời điểm kết thúc thí nghiệm. Việc dừng nuôi cấy cho phép nhóm nghiên cứu kiểm tra chi tiết tế bào, hoạt động gene, trạng thái biểu sinh, cấu trúc và kết nối của chúng.

Đây cũng là một phần quan trọng trong giá trị của thí nghiệm: các nhà khoa học không thể liên tục thực hiện mọi phép đo phân tử trên cùng một tế bào sống mà không làm thay đổi hoặc phá hủy mẫu. Vì thế, nghiên cứu theo dõi quỹ đạo sinh học kéo dài của organoid, sau đó dùng các phân tích cuối kỳ để xác định chúng đã phát triển thành gì.

Kết luận thận trọng nhưng đáng chú ý là các tế bào thần kinh người có thể duy trì và biểu hiện một số khía cạnh của lịch trình phát triển trong nhiều năm ở ngoài cơ thể. Điều này biến organoid dài hạn thành công cụ hứa hẹn để nghiên cứu sự phát triển não và bệnh lý thần kinh, đồng thời nhắc nhở rằng một mô hình hữu ích của mô thần kinh không phải là một bộ não hoàn chỉnh hay có ý thức.